CC BY
210
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
№141
УДК 629.7.036.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРТОЛЁТНЫХ ГТД
А. В. ОЗЕРОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ушаковым А.П.
В статье представлены результаты экспериментальных данных по диагностике вибросостояния вертолётных газотурбинных двигателей с использованием лазерного вибродатчика в качестве источника сигнала вибрации
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, вертолет, мобильная диагностика, виброконтроль.
В качестве силовой установки современных российских вертолётов преимущественно применяются два газотурбинных двигателя, работающих на один редуктор привода несущего и рулевого (при классической схеме) винтов. При одинаковом установленном ресурсе износ двигателей происходит с разной скоростью из-за воздействия различных факторов, обусловленных условиями эксплуатации вертолёта. Нередки случаи досрочного съёма двигателей с эксплуатации ввиду внезапных отказов. Это определяет необходимость применения средств диагностики для оперативной оценки технического состояния двигателей вертолёта. Причём данная диагностическая система должна быть мобильной и являться неотъемлемой частью бортового «инструмента» вертолёта. Это связано с тем, что вертолёты могут эксплуатироваться в крайне отдалённых районах, в которых отсутствуют специализированные ремонтные предприятия и технически оснащённые АТБ.
Для создания системы мобильной диагностики необходимо определение основного диагностического параметра, удовлетворяющего условию динамичности, т. е. способности реакции на ту или иную неисправность. Таким параметром является вибрация, т.к. любые изменения в динамике двигателя сразу сказываются на его вибросостоянии. Это основано на том, что вибрация двигателя порождается действием внутренних сил аэродинамического и механического происхождения.
Любой ГТД генерирует широкополосную вибрацию (от долей герц до десятков килогерц). Это связано с тем, что в современных ГТД содержится большое количество элементов вращения, имеющих различные собственные и вынужденные частоты колебаний.
Применяя алгоритм спектрального анализа вибросигналов можно определить «вклад» различных источников вибрации в общую вибрацию ГТД. Для примера на рис. 1 представлен амплитудно-частотный спектр вибрации корпуса вертолётного ГТД ТВ3-117, измеренный в районе первой опоры.
Автором предлагается использование портативных вибродиагностических приборов для расширения возможностей бортовой низкочастотной системы виброконтроля. Данные приборы позволяют производить комплексную обработку сигнала вибрации, полученного с помощью
Рис. 1. Спектр вибрации первой опоры ГТД ТВ3-117А
вибродатчика. Основными алгоритмами анализа при вибродиагностике являются: анализ вида сигнала вибрации; общий уровень виброскорости в выбранной полосе частот; спектральный анализ сигнала вибрации; спектральный анализ огибающей высокочастотной части сигнала.
Вертолётные ГТД имеют значительную степень приспособленности к диагностированию портативными средствами вибродиагностики. Это связано с их конструктивной схемой. Основной отличительной особенностью вертолётных ГТД является их одноконтурная схема. При такой схеме наружный корпус воспринимает все нагрузки от внутренних частей двигателя и находится в зоне прямой видимости наблюдателя.
Несмотря на удобную для проведения виброакустической диагностики конструктивную схему вертолётных ГТД, встаёт необходимость определения точек для замера сигнала вибрации. Это связано с тем, что высокочастотные компоненты виброакустического сигнала быстро затухают при прохождении по конструкции, т.к. конструкция двигателя является фильтром низких частот. Данный "фильтр" демпфирует высокочастотные составляющие, приводя к быстрому их затуханию по мере распространения по конструкции ГТД к месту съёма сигнала вибрации. Это делает необходимым проведение измерений вибрации в нескольких характерных точках. Под характерными точками понимаются места концентрации нагрузок на корпусе двигателя и места расположения интересующих агрегатов. При такой схеме измерения (последовательный съём вибросигнала от точки к точке) демпфирующие свойства конструкции двигателя является положительным фактором, приводя к затуханию сигналов вибрации, идущих от соседних агрегатов. Это уменьшает взаимную корреляцию между точками измерения вибрации. Для примера, на рис. 2 представлен продольный разрез двигателя ТВ3-117 с информативными точками 1, 2, 3 для измерения вибрации.
Одноконтурная схема вертолётных ГТД является одновременно и положительным фактором (относительно малая удалённость внутренних агрегатов и узлов двигателя от точек измерения) и отрицательным фактором (высокая температура корпуса в районе второй опоры компрессора, камеры сгорания и турбины). Ещё одним осложняющим фактором при использовании обычных пьезоэлектрических вибродатчиков являются материалы, из которых изготовлены наружные корпуса двигателей: современные ГТД изготавливаются из высокопрочных сплавов цветных металлов. Это делает практически невозможным крепление датчика с использованием магнита.
Рис. 2. Продольный разрез ГТД ТВ3-117
Наиболее подходящим типом датчика для оперативной вибродиагностики вертолётных ГТД является бесконтактный лазерный вибродатчик. Датчик данного типа может быть легко закреплён на конструктивных узлах вертолёта в районе ГТД. На рис.3 показан пример крепления датчика данного типа с помощью штатива на створке капота двигателя ТВ2-117 вертолёта
Для опытной вибрационной диагностики ГТД ТВ3-117 и ТВ2-117 автором статьи был использован лазерный датчик виброскорости с чувствительностью 25 мВ*с / мм. Вибродатчик такого типа, работающий на эффекте Доплера, позволяет производить измерение сигнала вибрации с расстояния 0.5 - 5 м до точки измерения, что является главным преимуществом лазерного вибродатчика по сравнению с обычным пьезоэлектрическим датчиком. Это даёт возможность измерения в любых точках на корпусе двигателя, расположенных в зоне прямой видимости лазерного луча датчика.
Ещё одним недостатком пьезоэлектрических датчиков является установочный резонанс и эффект присоединённой массы. Эти два эффекта приводят к искажению сигнала вибрации из-за влияния массы датчика на локальные вибродемпферные характеристики точки корпуса, в которой производится измерение вибрации. Данным эффектом нельзя пренебрегать, т.к. корпус ГТД представляет собой тонкостенную оболочку, которая обладает значительной динамической упругостью (особенно в сравнении с толстенными корпусами стационарных механизмов). Применение лазерных вибропреобразователей позволяет исключить данные недостатки и делает процедуру измерения максимально быстрой и удобной для оператора.
Как было сказано выше, для проведения вибродиагностики вертолётных ГТД целесообразно использовать алгоритмы спектрального анализа сигнала вибрации и спектрального анализа огибающей его высокочастотной части. Спектр сигнала в современных портативных виброди-агностических приборах получается с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). Спектр вибросигнала позволяет определить величины виброскорости на различных частотах и выявить модуляционные составляющие основных гармоник, а также грамотно выбрать полосу частот для проведения спектрального анализа огибающей высокочастотной части вибросигнала (для демодуляции колебаний) с помощью преобразования Гильберта (в данной полосе не должны присутствовать явные гармонические составляющие спектра).
МИ-8Т.
Рис. 3. Крепление лазерного вибродатчика на МИ-8Т
Применение спектрального анализа огибающей для диагностирования технического состояния вертолётных ГТД позволяет ускорить процедуру диагностики, т.к. спектр огибающей даёт практически однозначную картину вибросостояния двигателя в точке измерения вибрации. Это связано с тем, что при отсутствии дефектов в спектре огибающей высокочастотной части вибросигнала будут только составляющие вибрационного фона, т.к. при отсутствии дефектов в механизмах отсутствуют какие - либо модуляционные процессы (модуляция шумовых компо-
процессом, которая может возникнуть, например, при дефекте на одном из зубьев шестерни - уровень шума трения в зацеплении периодически (при ударе в месте дефекта) изменяется с последующим переходом на прежний уровень). Для примера на рис.4 показан спектр огибающей вибрации без дефектов, измеренный на заднем корпусе компрессора в районе второй опоры ГТД ТВ 2-117.
При наличии дефектов в узлах ГТД в прямом спектре вибрации появляется нелинейное взаимодействие, проявляющееся в амплитудной модуляции гармонических и шумовых (случайных) составляющих спектра. Для выявления частот и, следовательно, источников амплитудно-модули-
рующих составляющих служит спектр огибающей высокочастотной вибрации. На рис.5 показан спектр огибающей вибрации с дефектом вертикального валика привода коробки приводов двигателя ТВ3-117 (дисбаланс и радиальное биение вертикального валика цепи центрального привода).
Признаки дефектов в спектре огибающей вибрации выработаны при вибрационной диагностике наземных объектов контроля. Данные признаки могут быть применены для диагностирования технического состояния авиационных ГТД в силу того, что кинематические элементы узлов ГТД являются типовыми и не отличаются по схеме функционирования и типу генерируемых частот от агрегатов стационарного оборудования.
С ростом наработки двигателя возрастает износ его компонентов, что приводит к изменению результирующего широкополосного сигнала вибрации. Анализ прямых спектров вибросигналов и спектров огибающей, измеренных через определённые промежутки времени, позволяет осуществить построение тренда вибрации (проследить за изменением уровня отдельных компонентов вибрационного спектра или шумовой части сигнала). Это обеспечивает подъём на более высокий уровень диагностической информации, извлекаемой из сигналов вибрации во временной области: применение прямых спектров вибросигналов и спектров огибающей позво-
нентов вибрации гармоническим или квазипериодическим
№шПос
Рис. 4. Спектр огибающей на корпусе второй опоры
ТВ2-117
W¡nПoc
Рис. 5. Спектр огибающей вибрации корпуса первой опоры ГТД ТВ3-117
ляет выявить дефекты ГТД на более ранней стадии развития, чем использование параметра СКЗ виброскорости в низкочастотной области как это принято на современных отечественных ГТД.
Примеры, иллюстрирующие тренды вибрации, полученные наложением прямых спектров вибрации и спектров огибающей вибрации, приведены на рис. 6 и 7. На рис.6 приведён результат наложения прямых спектров сигнала вибрации, измеренного на второй опоре ГТД ТВ2-117 с разницей по наработке 500 ч при работе двигателя на режиме малого газа. На рис.7 показано наложение спектров огибающей того же сигнала.
68
В6
64
62
60
58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
Рис. 6. Сравнение прямых спектров вибрации второй опоры ГТД ТВ2-117
Из анализа прямого спектра видно, что с ростом наработки двигателя происходит увеличение числа гармоник, кратных частоте вращения ротора турбокомпрессора (234 Гц или 14000 об/мин), постепенно заполняющих весь частотный диапазон. Это связано с износом шарикоподшипника ротора турбокомпрессора и появлением в нём повышенного зазора (хотя и допустимого на основании других современных методов диагностирования в силу их неспособности обнаружения дефекта на ранней стадии (например, уровень вибрации двигателя, измеренный с помощью бортовой системы контроля был в пределах нормы; стружка отсутствовала)). Бой ротора в подшипнике приводит к периодическому (с частотами нескольких кратных гармоник ротора) изменению радиальных зазоров между рабочими лопатками и корпусом двигателя. Это проявляется во множественной модуляции лопаточных частот (частоты следования рабочих лопаток) частотами, кратными частоте вращения ротора турбокомпрессора. Особенно сильно модуляция проявляется на средних и последних ступенях, т.к. на двигателях семейства ТВ2-117 и ТВ3-117 проточная часть компрессора резко сужается, что приводит к необходимости применения относительно коротких лопаток на этих ступенях, что в свою очередь, обусловливает наличие значительных относительных радиальных зазоров (величина зазора, отнесённая к длине пера лопатки). Эти зазоры увеличивают чувствительность к бою ротора данных ступеней.
62 - - ;.
6058 —
56 — I - -
54 .._1._
52 -
50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20
18 ■ , •: г.- .г'-—-... . ■ -• »'Г ' - ■' : - ■ м г .. .,. .-. ..,.^
1 17.6 40 59.6 82 104.5 134.8 165 191.4 221.7 248 274.4 304.7 332 358.4 388.7 415 440.4 470.7 498 523.4 553.7 582 607.4 637.7 665 690.4 720.7
Рис. 7. Сравнение спектров огибающей вибрации второй опоры ГТД ТВ2-117.
Наложение спектров огибающей вибрации позволяет отследить изменение количества модуляционных компонентов и рост глубины модуляции на отдельных частотах. Из графика на рис. 7 также видно возрастание модулирующих компонентов (гармоники, кратные частоте вращения ротора), что является следствием возрастания глубины модуляции (степени модулирования данными гармоническими компонентами других высокочастотных компонентов вибросигнала). Из графика видно и увеличение количества кратных модуляционных компонентов с ростом наработки, что также свидетельствует о постепенном развитии дефекта.
Для вибродиагностирования вертолётных ГТД автор использовал режим малого газа. Этот режим оказался самым информативным, т.к. при таком режиме функционирования отсутствуют значительные аэродинамические шумы и шумы трения, сильно маскирующие компоненты вибросигнала, указывающие на слаборазвитые дефекты или низковибрирующие элементы (например, подшипники). Вместе с тем, режим малого газа обеспечивает достаточный натяг (без боя) и нагрузку в зубчатых соединениях приводов, что также положительно влияет на результаты диагностики.
Для анализа сигналов вибрации применяется пакет обработки сигналов WinPOS фирмы НПП "Мера" и программа "Диагноз", разрабатываемая на кафедре диагностики и неразрушающего контроля технических систем СПбГУГ А.
Применение лазерного вибродатчика для измерения вибросигналов и программных механизмов спектрального анализа и спектрального анализа высокочастотной части оцифрованного вибросигнала во время проведения очередной формы технического обслуживания, а также использование традиционных методов технической диагностики, позволяет оперативно оценить с высокой степенью вероятности технического состояния вертолётного ГТД. Высокая чувствительность метода обеспечивает выявление зарождающихся дефектов и отслеживание их развития по мере увеличения наработки двигателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. РТЭ двигателя ТВ3-117А. Ч. 1.
2. Лазерный вибропреобразователь LV-2. Инструкция по эксплуатации.
3. WinnOC. Пакет обработки сигналов. Руководство пользователя. Королёв, НПП "Мера", 2005.
RESEARCH OF LASER-BASED VIBRATION TRANSDUCER USAGE POSSIBILITY FOR HELICOPTERS GAS TURBINE ENGINES CONDITION MONITORING
Ozerov A.V.
In the article it is introduced experimental data results on helicopters gas turbine engines vibration condition diagnostics with laser-based vibration transducer application as an initial vibration signal source.
Сведения об авторе
Озеров Андрей Владимирович, 1982 г.р., окончил СПбГУГА (2005), инженер АТБ ФГУП "ГТК Россия, автор 3 научных работ, область научных интересов - неразрушающий контроль и техническая диагностика изделий авиационной техники.
